Study on the Mechanism of Electrochemical Reaction Enhancement of Materials with Defects or Spaces in the structure

• Project Area: New Materials Science on Nanoscale Structures and Functions of Crystal Defect Cores
• Project/Area Number: 22H04497
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 八木 俊介 東京大学, 生産技術研究所, 准教授 (60452273)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2022: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: 電気化学触媒 / 欠陥 / 空間 / 金属空気電池 / 酸素発生反応 / 酸素還元反応 / 多元素 / 固体電解質 / 欠損 / 酸素欠損 / 構造内空間 / 構造内欠陥

Outline of Research at the Start

本研究では、構造内に欠陥や空間を有する物質を用いて、欠陥量や空間サイズと電気化学反応に対する触媒活性の本質的な関係を明らかにし、高活性な電気化学触媒の創成を試みる。また、電気化学操作による、構造内欠陥・空間へのイオンの挿入、またはそれらからのイオンの脱離の可能性の検討を行う。さらに、開発した電気化学触媒もしくは活物質を、金属空気電池などのエネルギー変換デバイスへと応用する。

Outline of Annual Research Achievements

研究代表者らはこれまでに、酸素の電気化学反応を促進させるための電気化学触媒の研究開発に精力的に取り組み、構造内に欠陥や空間を有する物質群の一部が、酸素の電気化学反応に対して高い活性を有することを明らかにしてきた。昨年度までの成果により、酸素欠損が反応中心となり触媒活性を向上させる効果と構造を不安定化させる効果の両方が存在するため、触媒の高活性と高安定性を両立させる適切な酸素欠損量が存在することが明らかとなった。本年度は、以上の効果が多くの物質群において成り立つことを示すとともに、その発展研究として、新しいサーモクロミック材料を開発や、金属空気電池やリチウムイオン電池用固体電解質への応用を試みた。その中で、リチウムイオン電池用固体電解質として知られているGaドープLi7La3Zr2O12（LLZO）の電子伝導度とペレット冷間プレス圧が、臨界電流密度（CCD: critical current density）値およびリチウム金属に対する化学的安定性にそれぞれ大きく影響することが明らかになった。一般的に、同じ結晶構造・組成の固体電解質のリチウムイオン伝導率の向上には、欠陥が少なく結晶粒径の大きな固体電解質ペレットの合成が求められているが、同時に電子伝導率も上昇するため、金属リチウムの析出が促進される場合があることを明らかにした。また、LLZO固体電解質の焼結時間や焼結温度の増大により、リチウムイオン濃度が減少し、リチウムイオン伝導率が下がる可能性があることも示した。以上のように、本研究により、ミクロまたはマクロな欠陥が電気化学反応に対する活性や物質安定性に与える影響を様々な事例に適用して調査し、物質の特性や安定性を考える上で不可欠な要素であることを明示した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Synthesis conditions affecting electrochemical and chemical stabilities of Ga‐doped Li₇La₃Zr₂O₁₂ solid electrolyte (2024)
  • Author(s): DingYuan Huang, Masao Kamiko, Shunsuke Yagi
  • Journal Title: EcoEnergy Volume: 2 Issue: 1 Pages: 141-153
  • DOI: 10.1002/ece2.24
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Thermochromism and thermal crystal structure evolution of YIn_0.9Mn_0.1O₃ (2024)
  • Author(s): Masaya Oshita, Hidenobu Murata, Isaac Oda-Bayliss, Wencong Wang, Shunsuke Yagi, Kenta Kimura
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 63 Issue: 1 Pages: 012007-012007
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ad17e0
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synergistic Effect between Fe⁴⁺ and Co⁴⁺ on Oxygen Evolution Reaction Catalysis for CaFe₁₋<i>_x</i>Co<i>_x</i>O₃ (2023)
  • Author(s): Yamada Ikuya、Tanaka Atsushi、Oda Seiji、Okazaki Yuichi、Toda Fumito、Kato Yuta、Kizawa Yuta、Oshita Masaya、Goto Manami、Morimura Amane、Ochi Asuka、Toda Kaoru、Wang Wencong、Yamamoto Hajime、Ikeno Hidekazu、Yagi Shunsuke
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 64 Issue: 9 Pages: 2097-2104
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-MG2022021
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2023-09-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-Throughput Screening of (La,Sr)(Fe,Co)O₃ Perovskite for Oxygen Evolution Reaction Catalysis (2023)
  • Author(s): Okazaki Yuichi、Tokudome Yasuaki、Yagi Shunsuke、Yamada Ikuya
  • Journal Title: MATERIALS TRANSACTIONS Volume: 64 Issue: 9 Pages: 2082-2087
  • DOI: 10.2320/matertrans.MT-MG2022006
  • ISSN: 1345-9678, 1347-5320
  • Year and Date: 2023-09-01
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of Cation Vacancies in Nonstoichiometric (LaMn)1-xO3 on Oxygen Reduction Reaction Catalysis (2023)
  • Author(s): Wang Wencong, Liu Wei, Kamiko Masao, Yagi Shunsuke
  • Journal Title: Journal of Alloys and Compounds Volume: 946 Pages: 169398-169398
  • DOI: 10.1016/j.jallcom.2023.169398
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Composition-Designed Multielement Perovskite Oxides for Oxygen Evolution Catalysis (2022)
  • Author(s): Okazaki Yuichi、Fujita Yushi、Murata Hidenobu、Masuyama Naoki、Nojima Yusuke、Ikeno Hidekazu、Yagi Shunsuke、Yamada Ikuya
  • Journal Title: Chemistry of Materials Volume: 34 Issue: 24 Pages: 10973-10981
  • DOI: 10.1021/acs.chemmater.2c02986
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Control of Electrolyte Decomposition by Mixing Transition Metal Ions in Spinel Oxides as Positive Electrode Active Materials for Mg Rechargeable Batteries (2022)
  • Author(s): Han Jonghyun, Yagi Shunsuke, Takeuchi Hirokazu, Nakayama Masanobu, Ichitsubo Tetsu
  • Journal Title: The Journal of Physical Chemistry C Volume: 126 Issue: 45 Pages: 19074-19083
  • DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c06443
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of cation vacancies at tetrahedral sites in cobalt spinel oxides on oxygen evolution catalysis (2022)
  • Author(s): Liu Wei、Kamiko Masao、Yamada Ikuya、Yagi Shunsuke
  • Journal Title: Materials Advances Volume: 3 Issue: 20 Pages: 7513-7519
  • DOI: 10.1039/d2ma00729k
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Highly active and stable surface structure for oxygen evolution reaction originating from balanced dissolution and strong connectivity in BaIrO₃ solid solutions (2022)
  • Author(s): Hirai Shigeto、Yagi Shunsuke、Oh He-Chan、Sato Yoshiki、Liu Wei、Liu En-Pei、Chen Wei-Tin、Miura Akira、Nagao Masanori、Ohno Tomoya、Matsuda Takeshi
  • Journal Title: RSC Advances Volume: 12 Issue: 37 Pages: 24427-24438
  • DOI: 10.1039/d2ra04624e
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effects of A-site Cations in Quadruple Perovskite Ruthenates on Oxygen Evolution Catalysis in Acidic Aqueous Solutions (2022)
  • Author(s): Liu Wei、Kawano Kodai、Kamiko Masao、Kato Yuta、Okazaki Yuichi、Yamada Ikuya、Yagi Shunsuke
  • Journal Title: Small Volume: 18 Issue: 33 Pages: 2202439-2202439
  • DOI: 10.1002/smll.202202439
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Enhanced Catalytic Activity of Perovskite La1-xSrxMnO3+δ for the Oxygen Reduction Reaction (2022)
  • Author(s): Wang Wencong, Liu Wei, Kamiko Masao, Yagi Shunsuke
  • Journal Title: New Journal of Chemistry Volume: 46 Issue: 27 Pages: 13082-13088
  • DOI: 10.1039/d2nj02619h
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Origin of Catalytic Activity for Oxygen Evolution Reaction (2024)
  • Author(s): S. Yagi
  • Organizer: Reactive Metal Workshop 17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of Vanadium Doping on α-KxMnO2 Positive Electrode Active Materials for Rechargeable Magnesium Batteries (2024)
  • Author(s): I. Oda-Bayliss and S. Yagi
  • Organizer: Reactive Metal Workshop 17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The Catalytic Activity of Transition Metal Doped α-MnO2 for Oxygen Evolution Reaction (2024)
  • Author(s): K. Shimada and S. Yagi
  • Organizer: Reactive Metal Workshop 17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ペロブスカイト RIn1-xMnxO3 のサーモクロミズムと結晶構造の相関 (2024)
  • Author(s): 大下 真弥, 木村 健太, 村田 秀信, 織田 藍作, 王 文聡, 八木 俊介
  • Organizer: 日本セラミックス協会 第62回セラミックス基礎科学討論会
• [Presentation] 酸素発生電極の高活性化と産業応用のための課題 (2024)
  • Author(s): 八木 俊介
  • Organizer: 資源・素材学会 2024年度 春季大会
  • Invited
• [Presentation] 酸素発生触媒活性の記述子に関する研究 (2024)
  • Author(s): 八木 俊介
  • Organizer: 電気化学会 第161回燃料電池研究会セミナー
  • Invited
• [Presentation] Exploring Key Factors for Oxygen Evolution Reaction on La2-XSrxNiO4+Δ by Oxygen Defect Engineering (2023)
  • Author(s): S. Kobata, Y. Kimura, K. Amezawa, M. Oishi, F. Fujishiro, I. Takahashi, S. Yagi, and T. Nakamura
  • Organizer: 244th ECS Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Origin of Catalytic Activity for Oxygen Evolution Reaction (2023)
  • Author(s): S. Yagi
  • Organizer: Energy Material Seminar
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Enhancing Diffusion of Mg2+ ions by Cation Doping of α-MnO2 Positive Electrode Active Materials for Magnesium Rechargeable Batteries (2023)
  • Author(s): I. Oda-Bayliss and S. Yagi
  • Organizer: Energy Material Seminar
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ペロブスカイト RIn1-xMnxO3 のサーモクロミック特性 (2023)
  • Author(s): 大下 真弥, 木村 健太, 村田 秀信, 織田 藍作, 王 文聡, 八木 俊介
  • Organizer: 第64回高圧討論会
• [Presentation] 高圧相 RIn1-xMnxO3 のサーモクロミック特性 (2023)
  • Author(s): 大下 真弥, 木村 健太, 村田 秀信, 織田 藍作, 王 文聡, 八木 俊介
  • Organizer: 日本セラミックス協会 第36回秋季シンポジウム
• [Presentation] 高圧相 RIn1-xMnxO3 (R = Y, Eu) の結晶構造とサーモクロミズム (2023)
  • Author(s): 大下 真弥, 木村 健太, 村田 秀信, 織田 藍作, 王 文聡, 八木 俊介
  • Organizer: 第17回 日本セラミックス協会 関西支部 学術講演会
• [Presentation] Recent Development and Challenges of Positive Electrode Active Materials for Magnesium Rechargeable Batteries (2022)
  • Author(s): Shunsuke Yagi
  • Organizer: CNU Conference of Advanced Technology 2022
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Bayesian Optimization Design of High Entropy Oxide for Oxygen Evolution Catalysis (2022)
  • Author(s): Y. Okazaki, Y. Fujita, H. Murata, N. Masuyama, Y. Nojima, H. Ikeno, I. Yamada, S. Yagi
  • Organizer: FMS 2022 - The 6th International Symposium on Frontiers in Materials Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-pressure Synthesis and Oxygen Evolution Reaction Activity of Fe4+-Mn4+-mixed Perovskite Oxide CaFe1-xMnxO3 (2022)
  • Author(s): A. Ochi, I. Yamada, S. Asakura, H. Ikeno, and S. Yagi
  • Organizer: FMS 2022 - The 6th International Symposium on Frontiers in Materials Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crystal Structure and Thermochromism of a High-pressure Phase of YIn1-xMnxO3 (2022)
  • Author(s): M. Oshita, I. Yamada, H. Murata, I. O.-Bayliss, W. Wencong, and S.Yagi
  • Organizer: FMS 2022 - The 6th International Symposium on Frontiers in Materials Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] YIn1-xMnxO3 高圧相の結晶構造とサーモクロミズム (2022)
  • Author(s): 大下 真弥, 山田 幾也, 村田 秀信, 織田 藍作, 王 文聡, 八木 俊介
  • Organizer: 第63回高圧討論会
• [Presentation] ベイズ最適化を用いた高エントロピー酸化物触媒の設計 (2022)
  • Author(s): 岡崎 湧一, 藤田 侑志, 森村 天音, 村田 秀信, 増山 直輝, 能島 裕介, 池野 豪一, 山田 幾也, 八木 俊介
  • Organizer: 日本セラミックス協会 第35回秋季シンポジウム
• [Presentation] 欠陥制御を利用した(La,Sr)2NiO4+δのOER 触媒特性決定因子の探索 (2022)
  • Author(s): 木幡壮真，木村勇太，雨澤浩史，大石昌嗣，藤代史，高橋伊久磨，八木俊介，中村崇司
  • Organizer: 2022年電気化学秋季大会